Tất cả các phản ứng sinh hóa xảy ra trong cơ thể đều chịu sự kiểm soát cụ thể, được thực hiện thông qua tác động kích hoạt hoặc ức chế các enzym điều hòa. Loại thứ hai thường nằm ở phần đầu của các chuỗi biến đổi trao đổi chất và bắt đầu một quá trình nhiều giai đoạn hoặc làm chậm quá trình đó. Một số phản ứng đơn lẻ cũng được điều chỉnh. Sự ức chế cạnh tranh là một trong những cơ chế chính để kiểm soát hoạt động xúc tác của các enzym.
Ức chế là gì?
Cơ chế của xúc tác enzym dựa trên sự liên kết của vị trí hoạt động của enzym với phân tử cơ chất (phức hợp ES), dẫn đến phản ứng hóa học với sự hình thành và giải phóng sản phẩm (E + S=ES=EP=E + P).
Ức chế enzym là giảm tốc độ hoặc ngừng hoàn toàn quá trình xúc tác. Trong một phạm vi hẹp hơnnghĩa, thuật ngữ này có nghĩa là sự giảm ái lực của trung tâm hoạt động đối với cơ chất, đạt được bằng cách liên kết các phân tử enzyme với các chất ức chế. Loại thứ hai có thể hoạt động theo nhiều cách khác nhau, trên cơ sở chúng được chia thành nhiều loại, tương ứng với các cơ chế ức chế cùng tên.
Các kiểu ức chế chính
Theo bản chất của quá trình, sự ức chế có thể có hai loại:
- Không thể đảo ngược - gây ra những thay đổi dai dẳng trong phân tử enzyme, làm mất đi hoạt động chức năng của nó (không thể khôi phục lại được). Nó có thể cụ thể hoặc không cụ thể. Chất ức chế liên kết mạnh mẽ với enzym thông qua tương tác cộng hóa trị.
- Có thể đảo ngược - loại quy định tiêu cực chính của các enzym. Nó được thực hiện do sự gắn đặc hiệu có thể đảo ngược của chất ức chế với protein enzyme bằng các liên kết không cộng hóa trị yếu, có thể mô tả động học theo phương trình Michaelis-Menten (ngoại trừ quy định dị ứng).
Có hai loại ức chế thuận nghịch enzym chính: cạnh tranh (có thể bị suy giảm do tăng nồng độ cơ chất) và không cạnh tranh. Trong trường hợp thứ hai, tốc độ xúc tác tối đa có thể giảm xuống.
Sự khác biệt chính giữa ức chế cạnh tranh và không cạnh tranh nằm ở vị trí gắn chất điều hòa vào enzym. Trong trường hợp đầu tiên, chất ức chế liên kết trực tiếp với vị trí hoạt động và trong trường hợp thứ hai, với vị trí khác của enzyme hoặc với phức hợp enzyme-cơ chất.
Ngoài ra còn có một loại ức chế hỗn hợp, trong đó liên kết với chất ức chế không ngăn cản sự hình thành ES, nhưng làm chậm quá trình xúc tác. Trong trường hợp này, chất điều chỉnh có trong thành phần của phức chất kép hoặc phức ba (EI và EIS). Ở loại không cạnh tranh, enzyme chỉ liên kết với ES.
Tính năng ức chế cạnh tranh thuận nghịch của enzym
Cơ chế ức chế cạnh tranh dựa trên sự tương đồng về cấu trúc của chất điều hòa với cơ chất. Kết quả là, một phức hợp của trung tâm hoạt động với chất ức chế được hình thành, được quy ước là EI.
Ức chế cạnh tranh có thể đảo ngược có các đặc điểm sau:
- liên kết với chất ức chế xảy ra tại vị trí hoạt động;
- sự bất hoạt của phân tử enzym có thể đảo ngược được;
- tác dụng ức chế có thể được giảm bớt bằng cách tăng nồng độ của chất nền;
- chất ức chế không ảnh hưởng đến tốc độ xúc tác enzym tối đa;
- phức hợp EI có thể phân hủy, được đặc trưng bởi hằng số phân ly tương ứng.
Với kiểu điều tiết này, chất ức chế và chất nền dường như cạnh tranh (cạnh tranh) với nhau để giành một vị trí trong trung tâm hoạt động, do đó có tên là quá trình.
Do đó, ức chế cạnh tranh có thể được định nghĩa là một quá trình có thể đảo ngược của quá trình ức chế xúc tác enzym, dựa trên ái lực cụ thể của vị trí hoạt động đối với chất ức chế.
Cơ chế hoạt động
Chia sẻ kết nốichất ức chế có vị trí hoạt động ngăn cản sự hình thành phức hợp enzym-cơ chất cần thiết cho xúc tác. Kết quả là, phân tử enzyme trở nên không hoạt động. Tuy nhiên, tâm xúc tác không chỉ có thể liên kết với chất ức chế mà còn với chất nền. Xác suất hình thành một hoặc một phức chất khác phụ thuộc vào tỷ lệ của các nồng độ. Nếu có nhiều phân tử cơ chất hơn đáng kể, thì enzym sẽ phản ứng với chúng thường xuyên hơn là với chất ức chế.
Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học
Mức độ ức chế xúc tác trong quá trình ức chế cạnh tranh được xác định bởi lượng enzym sẽ tạo phức EI. Trong trường hợp này, có thể tăng nồng độ cơ chất đến mức thay thế vai trò của chất ức chế và tốc độ xúc tác sẽ đạt giá trị lớn nhất có thể tương ứng với giá trị Vmaxtheo phương trình Michaelis-Menten.
Hiện tượng này là do chất ức chế bị pha loãng quá mạnh. Kết quả là xác suất các phân tử enzyme liên kết với nó giảm xuống 0 và các trung tâm hoạt động chỉ phản ứng với chất nền.
Phụ thuộc động học của phản ứng enzym liên quan đến chất ức chế cạnh tranh
Ức chế cạnh tranh làm tăng hằng số Michaelis (Km), bằng nồng độ cơ chất cần thiết để đạt được ½ tốc độ xúc tác tối đa khi bắt đầu phản ứng. Số lượng enzyme giả định có khả năng liên kết với cơ chất không đổi, trong khi số lượng ES-phức chất chỉ phụ thuộc vào nồng độ của chất sau (phức EI không phải là hằng số và có thể bị thay thế bởi chất nền).
Sự ức chế cạnh tranh của các enzym dễ dàng xác định từ đồ thị của sự phụ thuộc động học được xây dựng cho các nồng độ khác nhau của cơ chất. Trong trường hợp này, giá trị của Kmsẽ thay đổi, trong khi Vmaxsẽ không đổi.
Với ức chế không cạnh tranh thì ngược lại: chất ức chế liên kết bên ngoài trung tâm hoạt động và sự hiện diện của chất nền không thể ảnh hưởng đến điều này theo bất kỳ cách nào. Kết quả là, một số phân tử enzyme bị "tắt" khỏi xúc tác, và tốc độ tối đa có thể giảm xuống. Tuy nhiên, các phân tử enzyme hoạt động có thể dễ dàng liên kết với cơ chất ở cả nồng độ thấp và cao của chất sau. Do đó, hằng số Michaelis không đổi.
Đồ thị ức chế cạnh tranh trong hệ tọa độ nghịch đảo kép là một số đường thẳng cắt trục y tại điểm 1 / Vmax. Mỗi đoạn thẳng ứng với một nồng độ chất nền nhất định. Các giao điểm khác nhau với trục abscissa (1 / [S]) cho biết sự thay đổi trong hằng số Michaelis.
Hành động của một kẻ ức chế cạnh tranh trên ví dụ về hành vi không đúng mực
Một ví dụ điển hình của ức chế cạnh tranh là quá trình giảm hoạt động của succinate dehydrogenase, một loại enzyme xúc tác quá trình oxy hóa axit succinic (succinate) thành axit fumaric. Đây như một chất ức chếmalonate hoạt động, có cấu trúc tương tự như succinate.
Thêm chất ức chế vào môi trường gây ra sự hình thành phức hợp của malonate với succinate dehydrogenase. Liên kết như vậy không gây ra thiệt hại cho vị trí hoạt động, nhưng ngăn chặn khả năng tiếp cận của nó với axit succinic. Tăng nồng độ succinate làm giảm tác dụng ức chế.
Sử dụng trong y tế
Tác dụng của nhiều loại thuốc, là chất tương tự cấu trúc của chất nền của một số con đường trao đổi chất, sự ức chế là một phần cần thiết của việc điều trị bệnh, dựa trên cơ chế ức chế cạnh tranh.
Ví dụ, để cải thiện sự dẫn truyền các xung thần kinh trong bệnh loạn dưỡng cơ, cần phải tăng mức độ acetylcholine. Điều này đạt được bằng cách ức chế hoạt động của acetylcholinesterase thủy phân của nó. Các chất ức chế là các gốc amoni bậc bốn là một phần của thuốc (proresin, endrophonium, v.v.).
Antimetabolites được phân biệt thành một nhóm đặc biệt, ngoài tác dụng ức chế, còn thể hiện các đặc tính của pseudosubstrate. Trong trường hợp này, sự hình thành phức hợp EI dẫn đến sự hình thành một sản phẩm dị thường trơ về mặt sinh học. Các chất chống chuyển hóa bao gồm sulfonamit (được sử dụng trong điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn), các chất tương tự nucleotide (được sử dụng để ngăn chặn sự phát triển tế bào của khối u ung thư), v.v.
